Diseño óptimo de recipientes a presión de pared delgada realizados mediante materiales compuestos

Resumen

Los recipientes a presión constituyen uno de los principales componentes de las instalaciones industriales, son ampliamente utilizados en plantas petroquímicas, centrales generadoras de energía, etc. Tradicionalmente, estos recipientes han sido fabricados de materiales convencionales como aceros y aleaciones de aluminio. Actualmente, estos materiales tradicionales están siendo reemplazados por materiales compuestos, especialmente en ciertas aplicaciones donde el peso de los equipos constituye un factor crítico en el diseño. También son muy adecuados para entornos donde los recipientes se vean sometidos a deterioro por corrosión. Se prevén importantes cambios en las tecnologías empleadas en la industria y, sobre todo, en los medios de transporte, forzados en gran medida por las nuevas reglamentaciones que irán surgiendo para intentar evitar el deterioro del medio ambiente. Los recipientes a presión fabricados de material compuesto son un elemento clave en estos cambios. Este tipo de dispositivos están pensados para trabajar soportando presiones internas que en muchos de los casos alcanzan elevados valores. El riesgo de daño, tanto material como humano, en caso de accidente por fallo de los mismos, obliga al control de su diseño. Entre los diversos códigos técnicos dedicados a supervisar el diseño de estos recipientes destaca el BPVC ASME X por su generalizada utilización en la mayoría de los países industrializados. La combinación de un sistema de simulación con un algoritmo de optimización es una técnica que empieza a ser común en las herramientas de diseño que se utilizan en la industria, debido a que permiten mejorar sustancialmente los diseños producidos. La principal ventaja que se obtiene al fabricar un recipiente de material compuesto es la reducción de su peso. En muchos de los sectores donde la utilización de los materiales compuesto está teniendo gran auge, es crucial la reducción del peso. Tiene sentido intentar mejorar aún más esa ventaja natural que tienen los materiales compuestos, utilizando métodos de diseño que optimicen la forma del recipiente con el objetivo de minimizar su peso. El análisis de recipientes de material compuesto utilizando técnicas de optimización, obliga a la utilización de software específico en el que apoyarse. Estas aplicaciones han sido tradicionalmente proporcionadas como sistemas de escritorio, aunque durante los últimos años se ha visto incrementado el interés por la simulación basada en la Web (WBS), habiéndose incrementado la cantidad de trabajos publicados al respecto. Este nuevo enfoque dota a estos sistemas de simulación de interesantes ventajas respecto a las aplicaciones clásicas: escalabilidad, portabilidad, mantenimiento, acceso controlado, protección de la propiedad intelectual, gestión de licencias, etc. En esta tesis se propone un entorno de simulación-optimización basado en la Web, para el diseño de recipientes a presión fabricados de material compuesto, siguiendo los requerimientos impuestos por el código BPVC ASME X. La presente Tesis Doctoral se estructuró en siete capítulos que se describen a continuación: En este primer capítulo se recogen los diferentes motivos que justifican la realización de este trabajo, los objetivos planteados, las principales aportaciones realizadas con el desarrollo y la estructura general de la Tesis Doctoral. El capítulo 2, denominado “Materiales Compuestos”, muestra una introducción a dichos materiales y sus componentes: fibras, matrices, láminas y laminados. Además, se describen las ecuaciones que rigen la micromecánica y la macromecánica mediante las que se calculan las propiedades de dichos materiales. El capítulo 3, denominado “Recipientes a Presión”, muestra una introducción a dichos dispositivos y a las técnicas de fabricación de los mismos relacionadas con el enfoque que se utiliza en este trabajo. Además, se describen las especificaciones recogidas en el código BPVC ASME X. El capítulo 4, denominado “Optimización”, contiene una introducción a las técnicas de optimización realizando una clasificación de las mismas. Posteriormente, se procede a describir los principales métodos clásicos y meta-heurísticos de optimización aplicables al problema que nos ocupa. Finalizando con la elección justificada del algoritmo a emplear en este trabajo y la descripción detallada del mismo. El capítulo 5, denominado “Entorno de Simulación”, trata sobre la descripción del entono de simulación desarrollado. Previamente, se realiza una introducción y descripción de todos los conceptos y tecnologías involucrados en dicho desarrollo. El capítulo 6, denominado “Conclusiones y Trabajos Futuros”, expone las conclusiones finales de la Tesis Doctoral e indica posibles actuaciones de mejora sobre el Sistema desarrollado. Para finalizar, se incluye un anexo en el que se muestran los distintos trabajos publicados durante el desarrollo de la Tesis Doctoral.